The behaviour of magnetotactic bacteria in changing magnetic fields

Die Beobachtung des Verhaltens von magnetotaktischen Bakterien (MTB) in wechselndeMagnetfeldern kann signifikante direkte und indirekte Informationen offenlegen über deren Merkmale und physiologische Eigenschaften. Sowohl Einzel- als auchMassenanalyse wurden in der vorliegenden Studie durchgeführt. Die Einzelzell-Experimente wurden in einem mikrofluidischen Chip mitmaßgefertigtem Design durchgeführt, in welchem die MTB fokussiert werden konnten während einMagnetfeld mittels eines permanentenMagneten angelegt wurde, welcher unter demMikroskoptisch befestigt war. Beobachtungen und Aufnahme der Reaktionen erlaubte eine offline-Analyse der Bewegungsbahnen. Diese Auswertung zeigte, dass die Zellen unterschiedlich reagierten auf Variation derMagnitude derMagnetfeldstärke. DesWeiteren konnte durch Simulationen und Experimente aufgezeigt werden, dass der Widerstand der MTB unterschätzt wurde, was zu zusätzlichen makroskopische Experimenten führte, um eine Verbindung von morphologischer Eigenschaften und Rotationswiderstandsprofilen darzulegen. Diese Experimente wurden durchgeführt in einem Gefäßmit Silikonöl unter Verwendung verschiedener 3D-gedruckter Modelle von verschiedenen ellipsoid- und spirillum-basierenden Morphologien. Die Modelle begründeten sich auf Elektronenmikroskop-Abbildungen von tatsächlichen MTB. Die Auswertung dieser Experimente konnte zur Aufklärung beitragen, dass Eigenschaften der MTB nicht in existierende Modelle des Rotationswiderstandes berücksichtigt werden. Die Massenanalyse wurde durchgeführt in einem maßangefertigtem Optischen-Dichte-Messer, spezifisch hergestellt umMagnetfeld-Orientierungen mit Photospektrometrie zu kombinieren. Von diesen Beobachtungen konnte der magnetische Gehalt von einer MTB-Kultur und Einzelproben abgeleitet werden, sowohl absolut als auch relativ. Zusätzlich wurde die Reaktionszeit einer verwendeten Charge gemessen werden umdenmagnetischen dipol-Moment mit dem Rotationswiderstand zu korrelieren. Dies erlaubte eine Unterscheidung zwischen verschiedenen Qualitäten und Quantitäten von Kulturen, als auch Langzeit- und kontinuierliche Beobachtung desWachstumsverhaltens von diesen. Trotz des Auffindens neuer Eigenschaften durch welche eine genauere Berechnung von Rotationswiderstandsprofilen möglich wurde bleibt die Länge eines Objekts weiterhin der dominierende Faktor im Zusammenspiel von magnetischem Drehmoment und Rotationswiderstandskraft. UnserModell erlaubt eine genauere Vorhersage des Rotationswiderstandes von Objekten mit ähnlichen Formen wie MTB in Schleichender Strömung als auch Zuständen von geringen Reynoldszahlen.The observation of behaviour of magnetotactic bacteria (MTB) in changing magnetic fields can give significant direct and indirect information about their traits and biophysical properties. Both single and bulk experiment and analysis were performed in this study. The single cel experimentswere performed inside custommicrofluidic chips designed to keep the MTB in focus, while a magnet field was applied using a permanent magnet mounted under a microscope stage. Observation and recording of the response allowed for off-line analysis of the trajectories. This analysis has shown that the cells respond differently to varyingmagnitudes of magnetic field strength. Furthermore, from simulations and experiments we have found that the drag of the MTB had been underestimated, which lead to additional macroscopic experiments relating morphological traits to more rotational drag profiles. These experiments were done in a vat of silicone oil using 3D-printed models of varying spheroid- and spirillum-based morphologies. The models were based on scanning electron microscope images of actualMTB. Analysis of these experiments elucidated the contribution of traits not included in existing models for rotational drag. The bulk analysis was performed in a custom made optical density meter, specifically designed to combine magnetic field orientations with photo spectrometry. From our observation we could derive the magnetic response, both absolute and relative, of a given culture or sample of MTB. Additionally, the response time of a given batch could also be measured, relating the magnetic dipole moment with the rotational drag. This allowed distinguishing between different quality and quantity of cultures, as well as long termand continuous observation of a culture in growth. In spite of having found new traits by which one can more accurately calculate the rotational drag profile, the length of an object still remains the dominate factor when balancing magnetic torque and drag force. Our model does allow for predicting more accurately the rotational drag of objects with shapes similar toMTB in Stokes flow or under low Reynolds number conditions

Observing magnetic objects in fluids

Observation of the motion of particles in fluids give valuable information about the particles, the environment and the interaction between them. Two distinct particle-fluid systems were studied in this framework. The first system considers centimetre-sized magnetic particles suspended in an upward water flow to create neutral buoyancy as well as a source of turbulence. This macroscopic reactor acts as an analogue simulator for microscopic self-assembly processes. From observation of the trajectories of single and two-particle systems we found that in terms of velocity, diffusion and particle interaction the laws of thermodynamics describe the macroscopic system with surprising accuracy. We have shown that we can control the amount of disturbing energy by changing the asymmetry of the water inflow, but that this method affects the particle behaviour differently in separate spatial dimensions. We found that the method used to generate disturbing energy is not that critical; also when the particles are mechanically shaken on a table in 2D, rather than in a turbulent flow in 3D, the velocity and diffusion still obey the laws of thermodynamics. The macroscopic reactor was used to study self-assembly of 3D-printed objects with embedded magnets. A system of four spheres was analysed by both humans and neural networks. Although yielding very similar results, they significantly deviate from theoretical predictions, likely due to underestimation of the disturbing energy. When using objects with anisotropic shape, we found that the geometry and aspect ratio highly define the nature of resulting structures. The particle shape for instance controls the dimensionality (1D, 2D, 3D) and flexibility (straight versus flexible angles) of the resulting assemblies. The second system involves the study of the motion of magnetotactic bacteria (MTB) under influence of varying magnetic fields. From microscopy observations of the trajectories of individual MTB we found that their response to magnetic fields accurately follows a simple model based on the ratio between magnetic and drag torque. We characterised the properties of MTB and interaction with the environment. An optical density based method was developed to monitor the properties of entire colonies of MTB with high temporal resolution. We were able to monitor four distinct parameters corresponding to growth and magnetic growth of MTB and found that these types of growth are decoupled. Although magnetic objects studied in this thesis are seemingly very distinct, with various sizes and shapes, their analysis has strong similarity. The most important aspects for fluid-particle interaction are the interplay between magnetic torque and the drag force as well as the interplay between magnetic potential energy and (equivalent) thermal energy. The parameters underpinning the models based on these concepts can be determined through observation of the motion of the particles.Beobachtung der Bewegung von Partikeln in Flüssigkeiten bringt wertvolle Informationen über die Partikel, die Umgebung als auch die Interaktion von beidem. Zwei verschiedene Partikel-Flüssigkeitssysteme wurden in dieser Studie näher untersucht. Das erste System setzte sich zusammen aus zentimeter-großen magnetischen Partikeln, ausgebracht in einem aufwärtsgerichteten Wasserstrom, welcher einen neutralen statischen Auftrieb erzeugte als auch den Ursprung von Turbulenzen darstellt. Dieser makroskopische Reaktor wurde betrieben als analoge Simulation für mikroskopische Selbstassemblierungsprozesse. Durch das Beobachten der Trajektorien von Ein- sowie Zwei-Partikelsystemen wurde festgestellt, dass die Gesetze der Thermodynamik überraschend genau das System charakterisieren, vor allem in Bezug auf Geschwindigkeit, Diffusion und Partikel-Interaktion. Wir konnten zeigen, dass wir die Stärke der Störenergie kontrollieren können durch Änderung der Asymmetrie des Wassereinlasses, aber auch das diese Methode die Partikel unterschiedlich beeinflusst, je Lage im dreidimensionalen Raum. Es konnte nachgewiesen werden, dass die Methode zur Erzeugung der Störenergie kein kritischer Einflussfaktor ist, da auch beim mechanischen Schütteln von Partikeln auf einem Tisch in 2D, im Gegensatz zu einer turbulenten Flussrate in 3D, Geschwindigkeit und Diffusion weiterhin den Gesetzen der Thermodynamik unterliegen. Der makroskopische Reaktor wurde zur Untersuchung von Selbstassemblierungsprozessen von 3D-gedruckten Objekten mit eingeschlossenen Magneten verwendet. Ein System aus vier Kugeln wurde sowohl durch Probanden als auch durch Neurale Computernetzwerk analysiert. Trotz der sehr ähnlichen Ergebnisse konnte ein signifikanter Unterschied zu den theoretischen Vorhersagen festgestellt werden, welcher höchstwahrscheinlich in der Unterschätzung der Störenergie begründet war. Bei der Benutzung von Objekten mit anisotropen Formen konnten wir zeigen, dass die Geometrie sowie das Seitenverhältnis starken Einfluss nehmen auf die entstehenden Strukturen. Die Form der Partikel hat beispielsweise entscheidenden Einfluss auf die Dimensionalität (1D, 2D, 3D) und Flexibilität (Grade vs. Flexible Winkel) der entstehenden Verbindun- gen. Das zweite System umfasste die Analyse der Bewegung von magnetotaktischen Bakterien (MTB) unter Einfluss von wechselnden Magnetfeldern. Durch mikroskopische Beobachtung der Bewegungsbahnen von einzelnen MTB konnten wir nachweisen, dass deren Bewegungsantwort auf magnetische Felder exakt einem einfachen Modell folgen, basierend auf dem Verhältnis zwischen magnetischem Drehmoment und Dreh-Strömungswiderstandes. Hierzu wurden die Eigenschaften der MTB und deren Interaktion mit der Umgebung charakterisiert. Eine Methode, basierend auf optischer Dichte-Messung, wurde entwickelt um Eigenschaften von ganzen Kolonien von MTBs mit hoher zeitlicher Auflösung zu untersuchen. Es war uns möglich vier verschiedene Parameter bezüglich Wachstum und Wachstum der magnetischen Partikel zu überwachen um festzustellen, dass diese Typen des Wachstums sich als entkoppelt darstellen. Obwohl die in dieser Doktorarbeit verwendeten magnetischen Objekte stark unterschiedlich in Bezug auf Größe und Form waren zeigte deren Auswertung hohe Ähnlichkeiten. Der wichtigste Aspekt der Partikel-Flüssigkeitsinteraktion stellt das Zusammenspiel von magnetischem Drehmoment und des Dreh-Strö- mungswiderstandes dar, als auch das Zusammenspiel der potenziellen magnetischen Energie und der (äquivalenten) thermalen Energie. Diese Parameter der Modelle konnten durch Beobachtung der Bewegung der Partikel untermauern werden, auf welchen die Konzepte des magnetischen Moments und des Strömungswiderstandes basieren

Near-surface effects on the controlled motion of magnetotactic bacteria

Magnetotactic bacteria have the potential to controllably reach stagnant fluids inside the human body and achieve targeted drug delivery. In this application, motion of the magnetotactic bacteria is influenced by the near-surface effects such as the background flows and surface interactions. Here, we provide a hydrodynamic model of bipolarly-flagellated magnetotactic bacteria (Magnetospirillum gryphiswaldense strain MSR-1) based on the resistive-force theory to resemble the helical body and the two flagella bundles, and investigate their swimming characteristics in two environments, i.e., free-space and near flat walls. The free-space is studied using capillary tubes with depth of 200 ßm, whereas the effect of the flat walls is investigated using microfluidic chips with depth of 5 μm. We find that the linear speeds of bacteria near- and far-surface are 36±16.4 μm/s (mean±s.d.) and 46±6.8 μm/s, respectively, whereas their respective angular velocities are 12.5±5.7 rad/s and 13.5±5.0 rad/s